TiO2表面氧空位氧化性修饰及对气敏传感特性的影响

摘要

近年来，我国大气环境面临非常严峻的形势，主要呈现以城市大气中悬浮颗粒物浓度超标；二氧化硫气体污染任然保持在较高水平；城市中机动车尾气污染物排放总量急剧上升；氮氧化物污染呈加重趋势。因此检测各种大气中各种气体成分以及它们的浓度尤为重要。那么通过光学气敏材料检测环境气体成分成为了诸多学者的研究热点。 本文的研究思路如下：首先对比TiO2(110)表面、SnO2(110)表面和GeO2(110)表面的表面氧化性，通过HF、HCl、HBr被三种金属氧化物吸附特性发现TiO2对检测卤化氢气体效果最好，对三种氧化物而言，表面氧化性最强，对卤化氢气体是较为理想的光学气敏传感材料。同时也发现，TiO2对还原性气体附H2S分子也有很好的光学气敏传感性能。本文进一步研究了如何通过掺杂来更好的改善TiO2的传感特性，通过TiO2(101)表面掺杂非金属C、N、F后发现对NH3分子的气敏传感效应提升明显，并分析出杂质元素对基底氧空位氧化性的贡献。而F元素掺杂于含TiO2(101)基底表面使其在可见光范围内的利用率于无掺杂相比提高了5倍，是一种可行的掺杂方式。 具体研究内容和过程如下： 1.计算了金红石相TiO2(110)表面、SnO2(110)表面、GeO2(110)表面分别吸附卤化氢气体后的氧化性能、电荷布居分布、差分电荷密度、态密度和光学性质对比分析。计算结果表明：HF、HCl、HBr被三种金属氧化物表面吸附后，卤素原子损失的电子数各不相同，但它与吸附能和吸附距离的大小关系相一致，说明卤素原子的电荷得失是吸附能和吸附距离的大小的核心因素；金属氧化物表面氧化性的强弱与分子整体得失电子密切相关，而卤素原子的电荷转移则是影响吸附能、吸附距离及光学传感特性的核心因素。所以TiO2可作为检测卤化氢气体较为理想的光学气敏传感材料。 2.计算了锐钛矿TiO2(101)表面吸附H2S分子的稳定结构、态密度、光学性质、电荷分布情况。分析发现：H2S分子在完整锐钛矿(101)表面不易吸附，而在含有氧空位锐钛矿(101)表面容易发生吸附；H2S分子在锐钛矿(101)表面水平放置吸附的吸附能比H端吸附和S端吸附的吸附能都大，且有氧空位的吸附能水平放置最大；在可见光范围内，H2S分子在有氧空位锐钛矿(101)表面吸附大大的提高对可见光的利用率，随着波长的增加，对可见光的利用效果就越好。所以，表面氧空位会提升TiO2表面的光学传感效应。 3.计算锐钛矿TiO2(101)表面掺杂非金属C、N、F后的表面结构的氧化性能和NH3分子吸附后表面结构的稳定性、态密度、电荷分布、差分电荷密度、光学性质的吸附情况。结果发现：非金属C、N、F较易掺入含氧空位锐钛矿TiO2(101)表面，且NH3分子吸附在C和N掺杂表面，由于C、N比O电子数少，提高了氧空位的氧化性能，但可提供被可见光激发的电子就更少，所以降低了材料在可见光范围内的利用率；而吸附在F元素掺杂表面，由于F的电子数比O更多，降低了氧空位的氧化性，但是却提供了更多可被可见光激发的电子，使其可见光范围内的利用率相对于C和N掺杂表面更好。所以，表面掺杂非金属元素明显提升了TiO2的气敏传感效应。这也为进一步研究该材料的气体传感特性提供了理论基础。

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and its effect on gas sensing properties

ABSTRACT

目 录

1绪 论

1.1引言

1.2 TiO2的晶体结构和物理化学性质

1.3 TiO2的光催化原理

TiO2是一种N型禁带半导体金属氧化物，其中金红石和锐钛矿的禁带宽度都大于3eV，只能被大于3eV的

(1-1)

导带形成的光生电子e-与材料表面的氧气反应，产生还原性较强的自由超氧离子(·O2-)，价带形成的光生

（1-2）

（1-3）

(1-4）

1.4 TiO2材料磁学性能的研究现状

1.5 掺杂改变TiO2光学性能的研究现状

1.6 表面吸附改变TiO2的光学性能研究现状

1.7 研究目的和意义

1.9 研究流程图

2.1第一性原理计算方法

2.2 密度泛函理论(DFT)

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham定理

2.2.3 交换关联能泛函

2.3 CASTEP软件

3 卤化氢在三种气敏传感材料表面上的氧化特性分析

3.1引言

3.2模型构建与计算方法

3.2.1 模型构建

3.2.2 计算方法

3.3计算结果与讨论

3.3.1 吸附距离与表面吸附能

3.3.2 Mulliken电荷布局分布和差分电荷密度

3.3.3 态密度

3.3.4 介电函数

3.3.5 吸收谱与反射谱

3.4 结论

4 H2S气体在氧化钛(101)表面的吸附传感模拟的研究

4.1 引言

4.2 模型与计算方法

4.2.1 模型构建

4.2.2 计算方法

4.3 计算结果与讨论

4.3.1 吸附微观模型

4.3.2 表面吸附能

4.3.3 Mulliken电荷密度

4.3.4 表面电子态密度

4.3.5 锐钛矿(101)表面的介电函数

4.3.6 锐钛矿(101)表面的吸收光谱

4.3.7 锐钛矿(101)表面的反射光谱

4.4 结 论

5 锐钛矿表面的掺杂对吸附NH3分子特性的研究

5.1引言

5.2模型构建与计算方法

5.2.1 模型构建

5.2.2 计算方法

5.3 计算结果与讨论

5.3.1 表面结合能与缺陷形成能

5.3.2 吸附模型及吸附距离

5.3.3表面吸附能

5.3.4 Mulliken电荷布局分布

5.3.5 差分电荷密度

5.3.6 电子态密度

5.3.7介电函数

5.3.8 吸收谱和反射谱

5.4 结论

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

附录A攻读硕士学位期间发表的论文